基于FPGA的串行外圍接口SPI設(shè)計與實現(xiàn)

摘要： SPI 總線是一個同步串行接口的數(shù)據(jù)總線，具有全雙工、信號線少、協(xié)議簡單、傳輸速度快等特點。介紹了SPI 總線的結(jié)構(gòu)和工作原理，對4 種工作模式的異同進行了比較，并著重分析了SPI 總線的工作時序。利用Verilog 硬件描述語言編寫出SPI 總線的主機模塊，經(jīng)ModelSim 仿真得出相應(yīng)的仿真波形。根據(jù)仿真波形分析，所設(shè)計的SPI 主機模塊的功能是正確的。最后在Xilinx ISE 中對該模塊進行綜合與實現(xiàn)，并在FPGA 上完成了下載與驗證。

引言

SPI（串行外圍接口）總線，是一個同步串行接口的數(shù)據(jù)總線，它具有全雙工、信號線少、協(xié)議簡單、傳輸速度快等優(yōu)點。由于串行總線的信號線比并行總線更少、更簡單，越來越多的系統(tǒng)放棄使用并行總線而采用串行總線。在眾多串行總線中，SPI 總線與I2C 總線、CAN 總線、USB 等其他常用總線相比有很大優(yōu)勢，如SPI 總線的數(shù)據(jù)傳輸速度可達若干Mbps, 比I2C 總線快很多。SPI 總線最典型的應(yīng)用就是主機與外圍設(shè)備（如EEPROM、Flash RAM、A/D 轉(zhuǎn)換器、LED 顯示器、實時時鐘等）之間的通信。

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是在PAL、GAL、PLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，具有設(shè)計周期短、可重復(fù)編程、靈活性強等特點。用FPGA 設(shè)計的SPI 總線具有可擴展性強、便于修改等優(yōu)點。只要對設(shè)計做簡單的改動，即可對SPI 總線的數(shù)據(jù)位數(shù)、工作模式等進行擴展，充分發(fā)揮了FPGA 的優(yōu)勢。

1 SPI 總線的結(jié)構(gòu)和工作原理

SPI 總線區(qū)分主機（Master）和從機（Slave）兩部分，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 SPI 總線結(jié)構(gòu)框圖

主機和從機之間通過4 根信號線連接，分別是SCK、MOSI、MISO、CS,它們的定義如下。

SCK:同步時鐘信號，用來同步主機和從機的數(shù)據(jù)傳輸，由主機控制輸出，從機在SCK 的邊沿接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；MOSI:主機輸出、從機輸入信號，主機在上升沿（或下降沿）通過該信號線發(fā)送數(shù)據(jù)給從機，從機在下降沿（或上升沿）通過該信號線接收該數(shù)據(jù)；MISO:主機輸入、從機輸出信號，從機在上升沿（或下降沿）通過該信號線發(fā)送數(shù)據(jù)給主機，主機在下降沿（或上升沿）通過該信號線接收該數(shù)據(jù)；CS:從機片選信號，由主機控制輸出。

其工作原理是： 當(dāng)沒有數(shù)據(jù)需要在主機和從機之間傳輸時，主機控制SCK 輸出空閑電平，CS 輸出無效電平，SPI 總線處于空閑狀態(tài)；當(dāng)有數(shù)據(jù)需要傳輸時，主機控制CS 輸出有效電平，SCK輸出時鐘信號，SPI 總線處于工作狀態(tài)；在某個時鐘邊沿，主機和從機同時發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)組OSI 和MISO 上；在下一個時鐘邊沿，主機和從機同時接收數(shù)據(jù)，分別將MISO 和MOSI上的數(shù)據(jù)接收并存儲；當(dāng)數(shù)據(jù)全部傳輸完畢時，主機控制SCK 輸出空閑電平，CS 輸出無效電平，SPI 總線重新回到空閑狀態(tài)。至此，一個完整的SPI 總線數(shù)據(jù)傳輸過程完成。

SPI 總線有兩個控制位：CPOL 和CPHA.將SCK 的空閑電平用IDLE 表示，非空閑電平用ACTIVE 表示。CPOL 用來選擇IDLE 的電平值。當(dāng)CPOL=0 時，IDLE=0;當(dāng)CPOL=1 時，IDLE=1.

CPHA 用來選擇接收數(shù)據(jù)的時刻。當(dāng)CPHA=0 時， 接收時刻是IDLE-ACTIVE 邊沿；當(dāng)CPHA=1 時，接收時刻是ACTIVE-IDLE邊沿。根據(jù)CPOL 和CPHA 的取值情況，SPI 總線共有4 種不同的工作模式。圖2 給出了SPI 總線在不同工作模式下的工作時序。

圖2 SPI 總線的工作時序

當(dāng)CPHA=0 時，MOSI 和MISO 的時序有所不同，主要是第一個數(shù)據(jù)位MSB 的發(fā)送時刻不同。MOSI 的MSB 在SCK 的第一個IDLE-ACTIVE 邊沿的前半個周期由主機發(fā)送到MOSI 上；而MISO 的MSB 則在CS 信號的下降沿由從機發(fā)送到MISO 上。當(dāng)CPHA=1 時，MOSI 和MISO 的時序完全相同。

2 SPI 主機模塊的設(shè)計

本文設(shè)計的SPI 主機模塊主要完成以下工作：

（1） 將主機收到的8 位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并發(fā)送給從機；（2） 接收來自從機的串行數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，通過并行端口輸出；（3） 輸出從機所需要的輸入信號、時鐘信號SCK 和片選信號CS。

在數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換的過程中， 必須用到寄存器來存放臨時數(shù)據(jù)。一般情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)需要1 個發(fā)送寄存器，接收數(shù)據(jù)需要1個接收寄存器，則至少需要2 個寄存器。在SPI 總線中，每發(fā)送1個數(shù)據(jù)位則發(fā)送寄存器多出1 個空閑位， 正好可以在半個周期后用來接收1 個數(shù)據(jù)位。為了減少資源消耗，可以用1 個移位寄存器來代替2 個獨立的接收寄存器和發(fā)送寄存器。圖3 所示為SPI 總線的硬件結(jié)構(gòu)框圖，其中MaSTer 和Slave 各使用1 個移位寄存器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 SPI 總線的硬件結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)對模塊的控制，除了clk、cs、sck、miso、mosi 這些信號之外，還需要一些其他信號。其中，rst 是復(fù)位信號，用于SPI 模塊的初始化。en 是模塊的使能信號，當(dāng)en=1 時模塊開始工作。

data_i 是待發(fā)送數(shù)據(jù)的8 位并行輸入端。data_o 是用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的移位寄存器， 也是數(shù)據(jù)傳輸完成時已接收數(shù)據(jù)的8位并行輸出端，圖4 是所設(shè)計的SPI 主機模塊的框圖。

圖4 SPI 模塊框圖

下面是用Verilog HDL 設(shè)計的SPI 主機模塊（CPOL =0,CPHA=1）的主要程序，程序中省去了變量的聲明，并在注釋中對這些變量作了說明。

3 設(shè)計的仿真、綜合與實現(xiàn)

通過編寫測試平臺，并使用Mentor Graphics 公司的仿真工具ModelSim SE PLUS 6.1f 對該SPI 模塊進行仿真，得到的仿真波形如圖5 所示。

圖5 SPI 模塊的仿真波形

從圖中可以看出，sck 的空閑電平IDLE=0,接收數(shù)據(jù)時刻是下降沿即ACTIVE-IDLE 邊沿， 故該SPI 模塊的工作模式是CPOL=0,CPHA=1,與設(shè)計一致。當(dāng)en=0 時，cs=1,SPI 總線處于空閑狀態(tài)。當(dāng)en=1 時，在下降沿cs=0,sck 輸出時鐘信號，總線數(shù)據(jù)傳輸開始。同時，data_o=data_i, 移位寄存器存入待發(fā)送數(shù)據(jù)11010111.在第1 個周期上升沿，主機通過mosi 發(fā)送data_o 最高位1 至從機。在第1 個周期下降沿，data_o 左移一位，多出一個空閑位data_o[0],主機通過miso 接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)最高位1,并將其存入data_o[0],data_o=10101111.依此類推，后面7 個周期的數(shù)據(jù)傳輸過程與第1 個周期類似。8 位數(shù)據(jù)全部傳輸完成之后，cs=1,一個完整的SPI 總線傳輸過程結(jié)束?？梢园l(fā)現(xiàn)，data_o中的數(shù)據(jù)被一個一個從主機發(fā)送到從機，同時data_o 也被用來存儲從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。8 個周期完成之后，data_o 中存儲的數(shù)據(jù)正是從機發(fā)送的數(shù)據(jù)10101101.綜合以上分析，該SPI 模塊的功能是正確的。

通過實驗，在Xilinx ISE 9.1i 中完成了對該模塊的綜合與實現(xiàn)，并下載到Digilent 公司的FPGA 開發(fā)板Spartan-3E Starter 上進行驗證，實驗結(jié)果正確。綜合工具使用ISE 自帶的XST,下載工具使用ISE 自帶的iMPACT.

4 結(jié)語

本文用Verilog 硬件描述語言設(shè)計了一個符合SPI 總線規(guī)范的SPI 主機模塊，使用仿真工具ModelSim 對其進行仿真并給出了仿真波形。在Xilinx ISE 中對該模塊進行綜合與實現(xiàn)，并在FPGA 上完成了下載與驗證。該SPI 主機模塊的功能正確，工作穩(wěn)定，可擴展性強。由于SPI 總線應(yīng)用范圍很廣，利用FPGA 可重復(fù)配置的優(yōu)點，該模塊可以很方便地應(yīng)用于各種場合。本文作者創(chuàng)新點：根據(jù)SPI 總線規(guī)范，用Verilog HDL 設(shè)計并實現(xiàn)了一個帶有移位寄存器的SPI 總線模塊，具有簡潔高效、便于修改、可擴展性強等特點。